羅利萍，李友平，郭佳靈，郭俊江，周恣羽

(西華師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，四川 南充 637009)

1 前 言

大氣顆粒物特別是PM2.5是人們生活出行微環(huán)境中的主要污染物，會(huì)對(duì)人體肺部，呼吸、心血管等多個(gè)系統(tǒng)造成危害[1～3]，且顆粒的粒徑越小，對(duì)人體健康的危害越大[4]。交通環(huán)境1 h 的高暴露與非交通環(huán)境24 h 平均暴露水平相比，前者與健康效應(yīng)更具相關(guān)性[5]，及各個(gè)出行交通微環(huán)境的PM2.5個(gè)體暴露是不同的[6-7]。在國(guó)外及國(guó)內(nèi)一些特大城市，已有采用數(shù)濃度和質(zhì)量濃度綜合分析不同出行方式PM2.5個(gè)體暴露水平[8～10]，但利用這種綜合分析的方式來(lái)研究大中城市不同出行方式PM2.5個(gè)體暴露水平卻很少，因此，同時(shí)采用數(shù)濃度和質(zhì)量濃度綜合分析不同出行方式PM2.5個(gè)體暴露可為人體健康評(píng)價(jià)提供更科學(xué)的依據(jù)。

南充是四川省8個(gè)全國(guó)環(huán)保重點(diǎn)城市之一，大氣污染形勢(shì)嚴(yán)峻，以大氣PM2.5為主要污染物的大氣環(huán)境問(wèn)題日益突出[11]。到目前為止，對(duì)南充市不同交通方式PM2.5個(gè)體暴露相關(guān)問(wèn)題的研究較少，且都在PM2.5的質(zhì)量濃度與個(gè)體暴露水平的研究上[12]。研究發(fā)現(xiàn)通風(fēng)條件對(duì)數(shù)濃度有較大影響，對(duì)質(zhì)量濃度基本無(wú)影響[13]，粒徑越小危害越大，數(shù)濃度監(jiān)測(cè)可以把PM2.5中更小的顆粒物組成弄清楚，因此加入數(shù)濃度對(duì)南充不同出行方式PM2.5個(gè)體暴露開(kāi)展研究，可為市民出行提供更可靠的建議。

本研究通過(guò)在南充市城區(qū)選擇一條有代表性的固定線路進(jìn)行監(jiān)測(cè)，連續(xù)6d分別對(duì)南充市大多數(shù)人出行選擇的步行、出租車、公交車、摩托車、私家車、自行車等6種出行方式進(jìn)行 PM2.5兩種濃度(質(zhì)量濃度和數(shù)濃度)監(jiān)測(cè)，以開(kāi)展南充市不同出行方式PM2.5質(zhì)量濃度和數(shù)濃度個(gè)體暴露分析，為南充市大氣污染治理和市民出行選擇提供科學(xué)依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 采樣方法

本實(shí)驗(yàn)于2017年7月18日～23日，在四川省南充市選擇一條能代表南充市民日常出行的固定路線(如圖1)，該線路上各路段路面車道數(shù)目、車流量和建筑物密集程度等各不相同，周圍無(wú)工業(yè)污染，是連接市區(qū)和郊區(qū)的一條重要線路。在這條線路上對(duì)南充市民出行經(jīng)常選用的步行、出租車、公交車、摩托車、私家車、自行車6 種方式進(jìn)行PM2.5兩種暴露濃度(質(zhì)量濃度，數(shù)濃度)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖1 采樣路線[20]Fig.1 Location of the sampling route

本實(shí)驗(yàn)采用AEROTRAK9306-V2型激光粒子計(jì)數(shù)器，DUSTTRAKTSL-8532型粉塵測(cè)定儀對(duì)空氣進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在高峰期和非高峰期兩個(gè)時(shí)段內(nèi)，經(jīng)培訓(xùn)過(guò)的采樣人員，每個(gè)人同時(shí)攜帶兩種儀器對(duì)每一種出行方式進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)顆粒物的質(zhì)量濃度和數(shù)濃度。在南充，出租車和公交車均用壓縮天然氣作為燃料，私家車和摩托車則使用無(wú)鉛汽油。

2.2 數(shù)據(jù)處理

將監(jiān)測(cè)儀中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦，檢查并剔除其中的異常值。相鄰兩次監(jiān)測(cè)所得數(shù)據(jù)相差大于10 倍，可認(rèn)為是異常值[14]，在所得數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上除以校正因子1.5 得到重量法測(cè)量結(jié)果[15]，將整理后得到的有效數(shù)據(jù)用Excel 2010、Origin 2016 及SPSS 16 進(jìn)行相關(guān)分析處理。暴露量的計(jì)算公式如下

D = C × IR × Δt

式中，D 為出行暴露量(μg)/(N)；C 取出行暴露濃度(μg/m3)/(N/m3)；IR為呼吸速率(m3/h)。呼吸速率采用《中國(guó)人群暴露參數(shù)手冊(cè)(成人卷)》[16]。中成年人在休息、輕微體力活動(dòng)和中等體力活動(dòng)狀態(tài)下的呼吸速率值作為此次實(shí)驗(yàn)中坐車(出租車、公交車、摩托車和私家車)、步行和自行車出行方式的計(jì)算值，分別為0.40、0.49、1.31 m3/h；Δt 為出行暴露時(shí)間(h)。

3 結(jié)果與討論

3.1 基于質(zhì)量濃度的不同出行方式PM2.5個(gè)體暴露比較

3.1.1 不同出行方式PM2.5個(gè)體暴露

不同出行方式PM2.5質(zhì)量濃度平均值見(jiàn)圖2，自行車的暴露濃度最高達(dá)到(68.0±32.3)μg/m3，出租車的暴露濃度最低為(34.2±21.1)μg/m3，總體平均個(gè)體暴露濃度為自行車>摩托車>公交車>步行>私家車>出租車，道路環(huán)境中的污染物濃度由于受機(jī)動(dòng)車尾氣排放的影響，呈現(xiàn)出中間高而兩邊低的情況[17]。日常出行中，自行車和摩托車經(jīng)常被機(jī)動(dòng)車輛包圍而受到排氣管的影響[18]，因此二者呈現(xiàn)較高的暴露濃度。

在出租車與私家車的行駛過(guò)程中，監(jiān)測(cè)儀均放在前排座位上，兩邊的窗戶一般處于關(guān)閉狀態(tài)，空調(diào)呈開(kāi)啟狀態(tài)，受道路環(huán)境中污染物濃度橫向分布特點(diǎn)影響，使離污染源越近的出行方式所受的平均暴露濃度越高。出租車與私家車兩種離污染源較近的出行方式平均暴露濃度卻最低，可能有兩個(gè)原因：在南充，出租車和私家車監(jiān)測(cè)過(guò)程中均保持車窗關(guān)閉狀態(tài)，封閉的窗戶使來(lái)自周圍環(huán)境的顆粒滲透可能性較??；另一方面，空調(diào)系統(tǒng)過(guò)濾器有助于防止顆粒進(jìn)入汽車內(nèi)部。

圖2 不同出行方式PM2.5個(gè)體暴露質(zhì)量濃度Fig.2 The average personal exposure of PM2.5 mass concentration with different travel modes

2.1.2 不同出行時(shí)段PM2.5個(gè)體暴露

為比較不同出行時(shí)段 PM2.5個(gè)體暴露濃度特征，表1給出了每日出行高峰期和非高峰期，工作日和周末暴露濃度的監(jiān)測(cè)結(jié)果。由表1可知，不同出行方式個(gè)體暴露濃度整體呈現(xiàn)高峰期>非高峰期，其中步行、出租車、自行車的高峰期和非高峰期濃度差異最為明顯，均超過(guò)15μg/m3，Nazelle[19]等人在研究巴塞羅那不同出行方式的個(gè)體暴露時(shí)同樣得到高峰期>非高峰期的結(jié)論。工作日和周末，不同出行方式在工作日的暴露濃度均高于周末濃度值，但整體上，不同出行方式工作日和周末相差不大。研究指出，交通微環(huán)境中的機(jī)動(dòng)車尾氣是 PM2.5濃度的重要來(lái)源[14]，而交通量對(duì)道路交通環(huán)境中細(xì)顆粒物濃度影響非常顯著[20]。在南充非高峰期與高峰期相比，周末與工作日相比，車流量都有減少。也可能是由風(fēng)速、降雨等多種因素引起的。

表1 不同出行時(shí)段的PM2.5質(zhì)量濃度個(gè)體暴露Tab.1 Indivichual exposwre of PM2.5 mass concentration personal exposure at different travel times (μg/m3)

通過(guò)個(gè)體暴露質(zhì)量濃度比較可知，選擇出行方式為出租車，避開(kāi)高峰期選擇非高峰期和周末出行更為環(huán)保。

3.2 基于數(shù)濃度的不同出行方式PM2.5個(gè)體暴露比較

3.2.1 不同出行方式PM2.5個(gè)體暴露

不同出行方式各粒徑數(shù)濃度平均值見(jiàn)圖3，超細(xì)粒徑PM0.3的數(shù)濃度組成遠(yuǎn)大于其他粒徑段，在西安，采用數(shù)濃度分析不同出行方式的PM個(gè)體暴露研究同樣得到相似結(jié)果[10]。步行的暴露濃度最高，私家車最低，差距超過(guò)600倍，總體平均暴露數(shù)量濃度為步行>公交車>自行車>出租車>摩托車>私家車，導(dǎo)致步行暴露濃度較高的原因是行人受到尾氣排放到地面以及街道附近顆粒物的影響。與本研究結(jié)果相似，阿納姆[21]、西安[13]、巴塞爾[22-23]、加利福尼亞州[24]等類似研究都得到步行在不同出行方式中有較高的數(shù)濃度個(gè)體暴露，而私家車數(shù)濃度個(gè)體暴露較低。過(guò)濾系統(tǒng)有助于防止顆粒進(jìn)入車輛，以至于車輛與街上大部分的空氣污染絕緣[25]，這是造成封閉車內(nèi)PM2.5暴露明顯低于其他方式的主要原因。此外，公交車作為封閉車型暴露濃度卻高的原因是由于其在行駛過(guò)程中公交車較其他車輛更頻繁停車。公交車門被打開(kāi)時(shí)，環(huán)境空氣污染物進(jìn)入客艙，并使車內(nèi)沉積物發(fā)生再懸浮[26-27]，造成車內(nèi)顆粒物濃度偏高。

圖3 不同出行方式各粒徑百分比Fig.3 The percentage of particle size map in different travel patterns

2.2.2 不同出行時(shí)段PM2.5個(gè)體暴露

表2給出了不同出行方式暴露于不同時(shí)段不同粒徑PM的監(jiān)測(cè)結(jié)果，由表2可知，工作日與周末：不同出行方式暴露濃度整體呈現(xiàn)工作日大于周末，交通量對(duì)道路交通環(huán)境中細(xì)顆粒物濃度影響顯著[20]。高峰期與非高峰期：摩托車、自行車呈現(xiàn)高峰期暴露濃度大于非高峰期，步行、公交車、私家車、出租車呈現(xiàn)相反結(jié)果；不同出行方式兩種濃度在不同時(shí)段的變化趨于一致，隨著顆粒粒徑尺寸的增大，不同出行方式高峰期和非高峰期、工作日和周末的差值增幅減小?？赡茉蚴菣C(jī)動(dòng)車尾氣主要影響大氣顆粒物粒徑為0.03～0.4μm粒徑段的大氣顆粒粒子數(shù)濃度，且影響程度隨顆粒物粒徑的增大而減小[28]。因此相比于較大顆粒，車流量對(duì)粒徑較小的顆粒影響較大。

表2 不同出行方式不同出行時(shí)段PM2.5個(gè)體暴露(數(shù)濃度)Tab.2 Indiridual exposwre of PM2.5 number concentration of different travel modes at different travel time (N/m3)

PM0.3：表示顆粒尺寸小于0.3微米的粒子

3.3 不同出行方式的PM2.5個(gè)體暴露量

3.3.1 基于質(zhì)量濃度的不同出行方式PM2.5個(gè)體暴露量

不同出行方式的呼吸速率、暴露時(shí)間和平均暴露量見(jiàn)表3?？傮w上，南充出行速度最快的為私家車，達(dá)到目的地所用時(shí)間最短為(0.39±0.03)h，而步行時(shí)間最長(zhǎng)，到達(dá)目的地所用時(shí)間為(2.34±0.27)h，大約為私家車的6倍。不同出行方式PM2.5平均個(gè)體暴露量依次是自行車>步行>公交車>摩托車>出租車>私家車，自行車和步行的暴露量比其他4種出行方式高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。不同出行方式暴露量與暴露濃度不同，從暴露濃度來(lái)看，公交車(57.8 μg/m3)大于步行(52.1 μg/m3)，但當(dāng)考慮吸入劑量時(shí)，步行(59.7 ± 3.8 μg)大于公交車(13.9 ± 0.6μg)。這是因?yàn)楣卉嚦丝蜑樽⒆藙?shì)，呼吸率比步行低；此外，步行出行速度較慢，使相同距離暴露時(shí)間更長(zhǎng)，在室外環(huán)境中的旅行時(shí)間會(huì)顯著影響PM2.5的暴露。在北京及國(guó)外不同交通工具的研究中也得出自行車是各種交通模式中暴露量最高的。

相同出行距離下自行車和步行PM2.5平均個(gè)體暴露量要比其他方式高很多，與此研究結(jié)果類似。

表3 基于質(zhì)量濃度的不同出行方式平均PM2.5暴露量Tab.3 PM2.5 porsonal exposure dose based on mass concentration

時(shí)間：表示往返總耗時(shí)

2.3.2 基于數(shù)濃度的不同出行方式PM2.5個(gè)體暴露量

如表4，與基于質(zhì)量濃度的不同出行方式個(gè)體暴露量對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用數(shù)濃度計(jì)算出的個(gè)體暴露量在數(shù)值上遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后者。在不同出行方式各個(gè)粒徑(PM0.3，PM0.5，PM1，PM3)平均個(gè)體暴露量的比較結(jié)果中，步行的數(shù)濃度最高，暴露時(shí)間最長(zhǎng)，暴露量最大。步行、自行車、公交車的暴露量比其他3種出行方式高出至少3個(gè)數(shù)量級(jí)。公交車與自行車比較，公交車數(shù)濃度整體大于自行車，而結(jié)合呼吸率、暴露時(shí)間等因素得到的暴露量則相反。

表4 基于數(shù)濃度不同出行方式平均PM2.5個(gè)體暴露量Tab.4 Average PM2.5 exposure level based on mass concentrationof different trips modes

4 結(jié) 論

4.1 南充市不同出行方式大氣 PM2.5個(gè)體暴露質(zhì)量濃度為自行車>摩托車>公交車>步行>私家車>出租車，出行高峰期和工作日大氣PM2.5個(gè)體暴露濃度分別高于非高峰期和周末。

4.2 數(shù)濃度下，6種出行方式各粒徑均有步行>公交車>自行車>出租車>摩托車>私家車，出行高峰期和工作日分別高于非高峰期和周末。

4.3 兩種濃度下，出租車和私家車相差不大，其他4種出行方式呈現(xiàn)完全不同的結(jié)果。

4.4 兩種濃度下暴露量最高最低都為自行車(76.6±3.8μg，1.67×108N)和出租車5.9±0.2μg，2.27×104N)，受呼吸率、暴露時(shí)間和暴露濃度共同作用。